Schlüsselproblem bei Natrium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge und die Energiespeicherung im Netz gelöst
Natrium-Ionen-Batterien könnten die Probleme mit der Lieferkette bei Lithium-Ionen-Batterien ausräumen
Lithium-Ionen-Batterien dominieren seit langem den Markt als die bevorzugte Energiequelle für Elektrofahrzeuge. Sie werden auch zunehmend für die Speicherung erneuerbarer Energien zur Nutzung im Stromnetz in Betracht gezogen. Angesichts der raschen Expansion dieses Marktes wird jedoch in den nächsten fünf bis zehn Jahren mit einer Verknappung des Lithiumangebots gerechnet.
Künstlerische Darstellung der Schlüsselerkenntnis, dass die Verringerung der Aufheizrate bei der Kathodenvorbereitung für Natrium-Ionen-Batterien das Problem der Dehnung und Rissbildung bei Kern-Schale-Partikeln mit Konzentrationsgradienten beseitigt.
Images by Argonne National Laboratory
"Natrium-Ionen-Batterien entwickeln sich aufgrund des größeren Vorkommens und der niedrigeren Kosten von Natrium zu einer überzeugenden Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien", sagte Gui-Liang Xu, Chemiker am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE).
Bislang gab es ein ernsthaftes Hindernis für die Kommerzialisierung solcher Batterien. Insbesondere nimmt die Leistung der natriumhaltigen Kathode bei wiederholtem Entladen und Laden rasch ab.
Ein Team in Argonne hat mit einem neuen Design für eine Natrium-Ionenoxid-Kathode wichtige Fortschritte bei der Lösung dieses Problems gemacht. Sie lehnt sich eng an ein früheres Argonne-Design für eine Lithium-Ionen-Oxid-Kathode an, die sich durch eine hohe Energiespeicherkapazität und lange Lebensdauer auszeichnet.
Ein wesentliches Merkmal beider Entwürfe ist, dass die mikroskopisch kleinen Kathodenpartikel eine Mischung aus Übergangsmetallen enthalten, zu denen Nickel, Kobalt, Eisen oder Mangan gehören können. Wichtig ist, dass diese Metalle nicht gleichmäßig in den einzelnen Kathodenpartikeln verteilt sind. So befindet sich beispielsweise Nickel im Kern, während Kobalt und Mangan diesen Kern umgeben und eine Schale bilden. Diese Elemente dienen unterschiedlichen Zwecken. Die manganreiche Oberfläche verleiht dem Partikel seine strukturelle Stabilität während der Lade-Entladezyklen. Der nickelhaltige Kern sorgt für eine hohe Kapazität bei der Energiespeicherung.
Bei der Erprobung dieser Konstruktion nahm die Energiespeicherkapazität der Kathode während der Zyklen jedoch stetig ab. Das Problem wurde auf die Bildung von Rissen in den Partikeln während der Zyklen zurückgeführt. Diese Risse entstanden aufgrund von Spannungen, die zwischen der Hülle und dem Kern der Partikel auftraten. Das Team versuchte, diese Dehnung vor dem Zyklus zu beseitigen, indem es die Methode der Kathodenvorbereitung feinabstimmte.
Das Vorläufermaterial, mit dem der Syntheseprozess beginnt, ist ein Hydroxid. Neben Sauerstoff und Wasserstoff enthält es drei Metalle: Nickel, Kobalt und Mangan. Das Team stellte zwei Versionen dieses Hydroxids her: Eine, bei der die Metalle in einem Gefälle vom Kern zur Hülle verteilt sind, und zum Vergleich eine andere, bei der die drei Metalle gleichmäßig in jedem Teilchen verteilt sind.
Zur Herstellung des Endprodukts erhitzte das Team eine Mischung aus einem Vorläufermaterial und Natriumhydroxid auf bis zu 600 Grad Celsius, hielt sie für einen bestimmten Zeitraum auf dieser Temperatur und kühlte sie dann auf Raumtemperatur ab. Sie probierten auch verschiedene Aufheizgeschwindigkeiten aus.
Während dieser gesamten Behandlung überwachte das Team die strukturellen Veränderungen der Partikeleigenschaften. Für diese Analyse wurden zwei Einrichtungen des DOE Office of Science genutzt: die Advanced Photon Source (beamlines 17-BM und 11-ID) in Argonne und die National Synchrotron Light Source II (beamline 18-ID) im Brookhaven National Laboratory des DOE.
"Mit den Röntgenstrahlen dieser Einrichtungen konnten wir in Echtzeit Veränderungen in der Partikelzusammensetzung und -struktur unter realistischen Synthesebedingungen feststellen", so Wenqian Xu, Wissenschaftler an der Argonne-Beamline.
Das Team nutzte auch das Center for Nanoscale Materials (CNM) in Argonne für zusätzliche Analysen zur Charakterisierung der Partikel und den Supercomputer Polaris in der Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) zur Rekonstruktion der Röntgendaten in detaillierte 3D-Bilder. CNM und ALCF sind ebenfalls Nutzereinrichtungen des DOE Office of Science.
Die ersten Ergebnisse zeigten keine Risse in den gleichförmigen Partikeln, aber Risse, die sich in den Gradientenpartikeln bei Temperaturen von nur 250 °C bildeten. Diese Risse traten im Kern und an der Kern-Schale-Grenze auf und wanderten dann zur Oberfläche. Offensichtlich verursachte der Metallgradient eine erhebliche Belastung, die zu diesen Rissen führte.
"Da wir wissen, dass sich mit Gradientenpartikeln Kathoden mit hoher Energiespeicherkapazität herstellen lassen, wollten wir Wärmebehandlungsbedingungen finden, die die Risse in den Gradientenpartikeln beseitigen", so Wenhua Zuo, ein Postdoktorand in Argonne.
Die Aufheizrate erwies sich als kritischer Faktor. Risse bildeten sich bei einer Aufheizrate von fünf Grad pro Minute, nicht aber bei einer langsameren Rate von einem Grad pro Minute. Tests in kleinen Zellen mit Kathodenpartikeln, die mit der langsameren Rate vorbereitet wurden, behielten ihre hohe Leistung für mehr als 400 Zyklen bei.
"Die Vermeidung von Rissen während der Kathodensynthese zahlt sich beim späteren Laden und Entladen der Kathode aus", so Gui-Liang Xu. Und obwohl Natrium-Ionen-Batterien noch nicht über eine ausreichende Energiedichte verfügen, um Fahrzeuge über lange Strecken anzutreiben, sind sie ideal für den Stadtverkehr".
Das Team arbeitet nun daran, das Nickel aus der Kathode zu entfernen, was die Kosten noch weiter senken und nachhaltiger sein würde.
"Die Aussichten für künftige Natrium-Ionen-Batterien scheinen sehr gut zu sein, da sie nicht nur kostengünstig und langlebig sind, sondern auch eine Energiedichte aufweisen, die mit der von Lithium-Eisenphosphat-Kathoden vergleichbar ist, die heute in vielen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden", so Khalil Amine, ein Argonne Distinguished Fellow. "Dies würde zu nachhaltigeren Elektrofahrzeugen mit hoher Reichweite führen."
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